廣州地鐵2 號線屏蔽門系統的選擇

　　摘　要　地鐵屏蔽門系統是一個典型的機電一體化產站務人員出入站臺公共區與非公共區的通道,緊急品,它在廣州地鐵2 號線的應用在國內的地鐵中尚屬首次。情況下也可用作乘客疏散通道。根據屏蔽門系統是帶載運營的特點,對其材質選擇、控制系統、執行電機等在設計、選擇及應用全封閉式屏蔽門系統時應著重關注的幾個關鍵技術作了闡述。
關鍵詞　屏蔽門系統,平均無故障次數,故障率,門控單元,無刷直流電機

地鐵屏蔽門系統屬于車站設備系統之一。它在廣州地鐵設置的主要目的是:將車站站臺公共區與軌行區隔離,簡化環控系統,降低車站空調系統的運行能耗;減少列車運行噪音及活塞風對車站站臺候車乘客的影響,為乘客提供一個更加舒適、安全的候車環境;防止人員跌落軌道產生意外事故, 為以后地鐵車輛的無人駕駛創造條件。屏蔽門系統作為一個機電緊密結合的產品,又工作在地鐵這個特殊的工作環境中,所以在選用屏蔽門產品時, 要從其功能、周圍環境對其的影響、重要零部件及子系統的性能上進行詳細斟酌,力求選出一個高可靠性、技術先進的屏蔽門系統。
1 　屏蔽門系統的整體功能
1. 1 　屏蔽門功能門的組成
屏蔽門功能門一般應由固定門、滑動門、應急門及端門組成。滑動門在數量及位置上的設置應與車輛門一一對應。在兩對滑動門之間的屏蔽結構由固定門組成。固定門是不能打開的。應急門是當列車進站的停車誤差超過了設計時所考慮的停車誤差而列車又剛好不能再進行位置調整時的疏散通道(其中包括列車未完全進站或未完全出站發生的意外情況) 。端門設置在站臺兩端,與靠站臺而設的屏蔽門垂直接壤,并與它們一起與設備房外墻構成一個全封閉的屏蔽系統。

1. 2 　屏蔽門系統的氣密性
屏蔽門系統應采取密封措施以防止在屏蔽門兩邊有壓差的情況下氣流交換量過大,以提高系統的整體性能。在任何兩個功能門之間、門體與頂箱及門檻之間、滑動門上端滑靴兩側與頂箱面板結合處、門體與結構的接口等,都必須考慮靜態或動態密封方式進行密封。屏蔽門系統的氣密性可以直接反映出整個系統在制造、安裝及功能上達到的水平。
正常情況下,無論屏蔽門兩側壓力差有多大, 都不能出現能明顯感覺到的氣流束。廣州地鐵2 號線選用的屏蔽門氣密性標準,則要求安裝完成后的屏蔽門各條間隙不透光。香港新機場線則有具體的數字標準:在屏蔽門兩邊壓差在300 Pa 的情況下,系統不動作的屏蔽區域每小時每平方米面積上泄露量不超過2. 74 立方米;而經常動作的屏蔽區域每小時每米長度上的泄露量不超過3. 4 立方米 。
1. 3 　屏蔽門系統動作的故障率
屏蔽門布置在站臺邊緣,是乘客上、下列車時必須動作的設備;并且屏蔽門系統動作次數比較頻繁,每年運行365 天,每天連續動作20 小時,高峰期每2 分鐘開或關1 次。地鐵最大特點是準時、快捷。屏蔽門系統的安裝不能影響地鐵的運營計劃或延遲列車在車站的發車時間。所以屏蔽門系統的可靠性是最至關重要的。
系統的故障率通常用平均無故障次數( n (MCBF)) 來衡量( n (MCBF) = 系統所有門單元動作總次數/ 故障次數) 。n (MCBF) 是反映系統綜合性能的重要指標,它的大小與整個系統的設計及制造都有很大關系。像控制系統的信道傳輸質量、誤碼率及機械系統的設計及加工水平等。由于屏蔽門系統與列車的運營有緊密的聯系, n (MCBF) 在可能的情況下要盡量地大。廣州地鐵2 號線首期工程16 個車站、34 側站臺安裝有屏蔽門,每側站臺30 個單元, n (MCBF) 定為60 萬次。在運營正常的情況下,大約每天全線的所有屏蔽門會有一次故障,運營部門基本上是可以接受的。香港地鐵舊線改造工程共74 側站臺,每側站臺38 套屏蔽門單元, n (MCBF) 為30 萬次,從系統的角度來講,其精度及要求要稍高于廣州地鐵2 號線。
2 　屏蔽門系統的帶載運營
屏蔽門的運營環境為地下車站。其所承受荷載主要有三個來源:車站及隧道內設有地鐵環控系統所必須的各種風機類負載,因此會造成在屏蔽門的站臺側與軌道側存在靜態壓差;列車進入及離開車站時由于列車速度所產生的氣流局部壓縮及局部真空而造成的活塞風對屏蔽門的風壓負載,特別要考慮到列車在有些情況下高速過站所引起的更大負載;候車乘客或意外人群對門體的沖擊力及擠壓力等。所以,當屏蔽門從被完全安裝完畢后開始運營的一刻開始,就一直處在帶負載運營狀態。系統的梁柱結構(包括門框、立柱、玻璃、門機梁、頂箱面板及門檻) 上都承受著大小不同的負載。根據廣州地鐵2 號線地下車站環控設備設置情況再結合土建結構的實際情況,列車過站速度以70 km/ h 考慮,作為設計人員或業主,其各種負載類型及大小的考慮情況大致如表1 所示。
表1 　屏蔽門的各種負載情況

　　所以,一個真正適合在地鐵環境應用的屏蔽門系統,首先應滿足地鐵環境中荷載的要求。在表1 所示的四類負載作用下,屏蔽門單元的結構框架及門體在強度及剛度上均必須達到一定的要求;玻璃與門框的粘結強度應足夠;門體、頂箱面板、立柱在內所有構件上的每一點的彈性變形及殘余變形均應滿足所規定的撓度要求及殘余變形要求。對整個系統而言,受載后屏蔽門結構軌道側上任何一點都要保證與列車動態包絡線之間的安全距離; 另外,在結構處于受載狀況下,驅動系統及門體上各部件的變形必須保證滑動門的順利打開,不能因結構受載而影響滑動門的打開速度及改變滑動開門力的大小。對于不同的列車運營速度、不同的環控模式及不同的隧道結構形式,所產生的各類負載就有區別。例如香港新機場線性質為快線,運營最高速度達100 km/ h 以上,所以其各類負載較廣州地鐵2 號線大。

3 　屏蔽門材質的選擇
屏蔽門直接面對乘客,是地鐵車站占用面積最大、最醒目的設備,因此,對屏蔽門外表的裝飾及制造工藝應有嚴格的要求。屏蔽門材料通常采用鋁合金擠壓型材外加表面處理或直接使用不銹鋼鈑金屬件。
對于鋁合金型材,一般采用可熱處理的強化型的變形鋁合金,具有密度小、強度高、導電性能良好等特點。其中用于擠壓為各種規格型材的型號主要是LD31(即6063 合金) 。LD31 具有中等強度, 有良好的塑性和優良的可焊性、抗蝕性,無應力腐蝕裂傾向,可陽極氧化,適合作建筑裝飾型材及各種需要良好耐蝕性要求的結構件。如果用LD31 制造屏蔽門門體,則要先對其進行陽極氧化處理, 然后對其表面進行氟碳噴涂或靜電噴涂等防腐措施。它的最大優點是可以根據不同需要來選擇所需噴涂的顏色,但也需采用嚴格的噴涂工藝來保證噴涂的質量及壽命。
采用不銹鋼材料制作屏蔽門門體,一般采用奧氏體系列不銹鋼(如304L 、316 等材料) 。奧氏體不銹鋼的韌性、塑性及工藝性能相對于其它類型不銹鋼來說都比較好,且硬度適中,焊接性能較強,表面抗污力強;但在焊接中可能會出現晶間腐蝕,所以要采用較好的焊接工藝來預防或減少晶間腐蝕及應力腐蝕。其中的304L , 國內牌號為00Cr18Ni10 , 抗晶間腐蝕及應力腐蝕性能優越,焊后可不進行熱處理,且其室溫機械性能,無論硬度、強度或其它各項機械性能指標均優于LD31 。所以,采用刷紋不銹鋼就一次解決了美觀與防腐的問題。
4 　屏蔽門的控制系統
屏蔽門控制系統所采用的網絡在其拓撲結構上應是總線型的局域網。其中PSC(中央接口盤, 也稱主控機) 、PSA (遠方操作報警盤) 以及每個DCU(門控器) 都是掛接在總線上的一個網絡結點。其總線結構及網絡協議應采用公開、規范的通用形式,以便于完成與EMCS(機電設備監控系統) 系統之間的接口。總線型結構的網絡可以保證網絡上任何一個結點發生故障都不會影響整個網絡其它結點的正常運行,并可以通過網絡對屏蔽門進行全程控制、運行參數修改、聲光報警等功能。屏蔽門控制系統在一些重要的節點及命令上也要采用硬線傳輸,充分利用其高可靠性及抗干擾性能, 保證整個控制系統的可靠性。像PSC 與信號系統、PSC 與PSL (站臺端頭控制盒) 之間,以及屏蔽門的開門、關門命令的發送及反饋,均要采用硬線傳輸。
控制系統至少應該實現系統級、站臺級、手動三級控制。其中手動控制優先級最高,系統級最低。其控制模塊一般如下:
當列車進入車站停靠在允許誤差范圍內的停車位置時,信號系統會發出一個“ 開門”命令;此開門命令會經過PSC 送到每個應該打開的屏蔽門單元的DCU 上, 從而控制電機驅動門體做開門動作。當所有ASD(滑動門)/ EED(應急門) 打開時, DCU 會將檢測裝置檢測到的“門已打開”的狀態信息經PSC 反饋給信號系統及EMCS 系統;當列車要離開車站時,信號系統發出“ 關門”命令至PSC , PSC 會將關門命令發送至每個應該關閉的屏蔽門單元的DCU , 從而控制電機驅動屏蔽門開始關門。當所有屏蔽門關好以后,DCU 會將檢測裝置檢測到的“門已關閉并鎖緊”的信號反饋至信號系統及EMCS 系統。當信號系統收到關閉并鎖緊信號以后,才會發出開車命令。如果在整個控制過程中任何一個屏蔽門單元出現故障, PSC 會將DCU 及其它設備反饋給它的故障信號發送至PSA 進行聲光報警,并可將故障信息顯示在液晶顯示器上或可以通過打印機打印出來,還可以通過其自身固有的串口進行故障信息的下載。
當列車、信號以及屏蔽門系統本身出現故障, 導致屏蔽門無法自動打開或關閉,就要運用PSL 站臺級控制的功能,以節點發送方式使屏蔽門處于理想狀態。在每個屏蔽門單元的ASD 及EED 上, 無論在站臺側還是在軌道側,均有手動裝置可將門打開。在站臺側,站務人員可用專用鑰匙進行操作,使門打開;在軌道側,則設有緊急把手可手動打開屏蔽門,以保證在非常時刻乘客或站務人員以最快及最方便的手段打開屏蔽門,以免發生事故。
5 　屏蔽門系統的執行電機
屏蔽門系統的執行電機屬于一種短時間周期性動作的設備。根據廣州地鐵2 號線對屏蔽門的要求,它必須在5. 5 s～7. 5 s 內完成開/ 關門一個周期,響應精度±0. 1 s 。而電機在關門階段一般就必須經過加速、速度保持、減速、低速保持、制動五個階段。門體在整個關門行程中動能不能超過10 J , 在關門行程中的最后100 mm 不能超過1 J 。其運動速度曲線如圖1 。
在整個關門過程,電機一直處于速度不斷變化的過程中,所以要求電機要有比較好的調速性能, 而且要快速響應性好、調速精度高。一般應選用執行類直流電機或交流變頻調速電機等機械特性好的電機,并且電機應具有比較小的飛輪轉矩( GD2) 以及較小的傳動比,以減小其動態工作特性中的機械時間常數,來獲得良好的跟隨特性。此外,我們還應對電機運行的過程進行分析并確定目標運行曲線。對拖動過程中電機的啟動、運行、制動過程的完成方式及其合理性進行分析,以保證有一個性能良好的門控系統。假設滑動門的關門時間為3 s , 滑動門開門寬度為2 m , 那么每扇門體在3 s 內就必須完成1 000 mm 的行程。在門關閉的過程中,應嚴格控制門體速度及關門力度,避免因此夾傷乘客;還要充分考慮電機在整個行程中的啟動及制動過程。所以,我們要選定一條電機運行曲線, 使得門體的運行平穩、快捷、噪聲小、無明顯抖動; 還要保證門體夾到乘客以后,作用于乘客的夾緊力及動能足夠小,以防夾傷乘客。

圖1 　屏蔽門運動速度曲線圖
　　廣州地鐵2 號線屏蔽門系統選用了額定電壓為110 V 的無刷直流電機。此電機呈細長形式,定子內外徑比值小,轉動慣量低。電機采用16 位的微機脈寬調制(PWM) 閉環控制,驅動回路采用場效應晶體管( FET) 三相星形全橋驅動,可以實現電機的雙向四象限運行。
用戶只要根據需要在DCU中設定電機的目標運行曲線,DCU 便會在速度、轉矩、工位等各個參數上控制電機按照所設定的曲線參數進行工作。科技在不斷地發展,社會文明也在不斷發展。屏蔽門系統將會逐漸走入中國的地鐵,使地鐵的服務水平更上一個檔次。也許在將來會出現性能更好的新材料、新技術,會出現性能更好、可靠性更高的部件,屏蔽門系統在各個系統各個部件的選取上將有更好的選擇范圍。我們只有對系統中每個技術細節進行更認真地研究,才能選出更適合地鐵環境的屏蔽門系統。

參　考　文　獻
1 　胡志輝,葉霞飛,蔡蔚. 城市軌道交通屏蔽門系統的適用性分析. 城市軌道交通研究,2002 , (3) :62
2 　鐘文文,李明超. 關于屏蔽門門體型材選用的探討. 城市軌道交通研究,2000 , (2) :20